Проблематика использования анализаторов качества электрической энергии
В настоящее время для измерения показателей качества электрической энергии (ПКЭ) и анализа режимов работы электрических сетей широко применяются приборы отечественного производства типа «Энерготестер ПКЭ», «Ресурс-UF», «АКЭ», а также множество приборов зарубежных производителей. Такие приборы построены на основании требований, изложенных в современных стандартах ГОСТ 30804.4.7 2013 [1] и 30804.4.7 2013 [2], являющихся аналогами соответствующих европейских стандартов, и рассчитаны, как правило, на измерение не более восьми сигналов (токов и напряжений).
Заложенная в приборах согласно требованиям стандартов частота квантования должна обеспечивать выполнение процедуры гармонического анализа для не менее чем 50-ти гармонических составляющих (для приборов класса А, для приборов остальных классов – не менее 40-ка) [1], что предполагает получение в процессе измерений данных о мгновенных значениях переменных с детальным отслеживанием всех отклонений от стабильных во времени синусоидальных и симметричных процессов. Однако увидеть осциллограммы этих переменных либо невозможно, либо можно только на коротком промежутке времени (обычно не более нескольких периодов промышленной частоты).
Ориентируясь на регламентированные в [1] большие интервалы усреднения отдельных ПКЭ (10 мин для всех ПКЭ, за исключением отклонения частоты, которое должно измеряться на интервалах времени 10 с), ради экономии памяти в приборах не сохраняются не только результаты измерений мгновенных значений токов и напряжений, но также результаты первичных расчетов ПКЭ на базовых измерительных окнах, которые согласно требованиям [1] принимаются равными десяти периодам промышленной частоты вне зависимости от анализируемых процессов. В результате в памяти приборов доступны только протоколы с усредненными на указанных выше интервалах показателями.
Отметим, что согласно разделу 4.4 [1] предусмотрена возможность усреднения результатов измерений на относительно малых интервалах времени 3 с, однако объем информации, сохраняемой в памяти приборов с таким усреднением, обычно оказывается существенно ограниченным и составляет не более двух – трех дней.
Таким образом, использование приборов, изготовленных в строгом соответствии с действующими стандартами [1, 2 и 3] фактически позволяет только констатировать факты нарушения показателей качества электроэнергии и определять относительные длительности превышения нормально и предельно допустимых нормативных значений. При этом возникает целый ряд вопросов, связанных с применимостью таких приборов для анализа режимов работы сетей промышленных предприятий, содержащих нагрузку нелинейных электропотребителей.
1. Вследствие многократных процедур усреднения результатов измерений затруднены поиск и анализ кратковременных помех, нелинейных искажений и несимметрии, возникающих в токах и напряжениях и способных привести к сбоям и нарушениям в работе ответственных электропотребителей.
Решение перечисленных вопросов может быть обеспечено при использовании измерительных приборов, позволяющих пользователю помимо выполнения функций измерения ПКЭ наблюдать также мгновенные значения всех измеряемых сигналов в виде цифровых осциллограмм. Хранение в памяти прибора исходных мгновенных значений напряжений и токов позволяет проводить их обработку по любым, в том числе и нестандартным алгоритмам, облегчить поиск причин возникновения опасных помех и разработку мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости.
Приведем ряд примеров, иллюстрирующих возможность получения качественно новых знаний о режимах системы электроснабжения при применении подобных осциллографов-анализаторов.
Заложенная в приборах согласно требованиям стандартов частота квантования должна обеспечивать выполнение процедуры гармонического анализа для не менее чем 50-ти гармонических составляющих (для приборов класса А, для приборов остальных классов – не менее 40-ка) [1], что предполагает получение в процессе измерений данных о мгновенных значениях переменных с детальным отслеживанием всех отклонений от стабильных во времени синусоидальных и симметричных процессов. Однако увидеть осциллограммы этих переменных либо невозможно, либо можно только на коротком промежутке времени (обычно не более нескольких периодов промышленной частоты).
Ориентируясь на регламентированные в [1] большие интервалы усреднения отдельных ПКЭ (10 мин для всех ПКЭ, за исключением отклонения частоты, которое должно измеряться на интервалах времени 10 с), ради экономии памяти в приборах не сохраняются не только результаты измерений мгновенных значений токов и напряжений, но также результаты первичных расчетов ПКЭ на базовых измерительных окнах, которые согласно требованиям [1] принимаются равными десяти периодам промышленной частоты вне зависимости от анализируемых процессов. В результате в памяти приборов доступны только протоколы с усредненными на указанных выше интервалах показателями.
Отметим, что согласно разделу 4.4 [1] предусмотрена возможность усреднения результатов измерений на относительно малых интервалах времени 3 с, однако объем информации, сохраняемой в памяти приборов с таким усреднением, обычно оказывается существенно ограниченным и составляет не более двух – трех дней.
Таким образом, использование приборов, изготовленных в строгом соответствии с действующими стандартами [1, 2 и 3] фактически позволяет только констатировать факты нарушения показателей качества электроэнергии и определять относительные длительности превышения нормально и предельно допустимых нормативных значений. При этом возникает целый ряд вопросов, связанных с применимостью таких приборов для анализа режимов работы сетей промышленных предприятий, содержащих нагрузку нелинейных электропотребителей.
1. Вследствие многократных процедур усреднения результатов измерений затруднены поиск и анализ кратковременных помех, нелинейных искажений и несимметрии, возникающих в токах и напряжениях и способных привести к сбоям и нарушениям в работе ответственных электропотребителей.
2. Малое количество измерительных каналов существенно затрудняет возможность выявления источника возмущений (питающая сеть, электропотребитель, конкретный электроприемник), а также обоснованного разделения долевого участия энергосистемы и электропотребителей в ухудшение ПКЭ в нагрузочном узле, что необходимо для определения неустоек при поставке электроэнергии ненадлежащего качества по вине электроснабжающей организации и ухудшения ПКЭ по вине потребителя.
3. Сохранение в памяти приборов усредненных на длительных интервалах времени значений параметров электрических режимов (напряжений, токов, активной и реактивной мощностей), оказывает существенное влияние на результаты измерений в сетях, содержащих резкопеременные нагрузки (прокатные станы, подъемные машины, импульсные нагрузки и т.д.).
Решение перечисленных вопросов может быть обеспечено при использовании измерительных приборов, позволяющих пользователю помимо выполнения функций измерения ПКЭ наблюдать также мгновенные значения всех измеряемых сигналов в виде цифровых осциллограмм. Хранение в памяти прибора исходных мгновенных значений напряжений и токов позволяет проводить их обработку по любым, в том числе и нестандартным алгоритмам, облегчить поиск причин возникновения опасных помех и разработку мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости.
Приведем ряд примеров, иллюстрирующих возможность получения качественно новых знаний о режимах системы электроснабжения при применении подобных осциллографов-анализаторов.
1. О необходимости увеличения диапазона частот измеряемых высших гармоник.
Использование приборов для измерения ПКЭ, учитывающих согласно ГОСТ 32144 2013 [3] гармоники только до 40-го порядка, не во всех случаях дает объективную оценку ситуации. Например, на рис.1 приведены осциллограммы напряжений в сети 10 кВ, питающей нагрузку мощного прокатного стана одного из металлургических заводов, а также их спектры.
Использование приборов для измерения ПКЭ, учитывающих согласно ГОСТ 32144 2013 [3] гармоники только до 40-го порядка, не во всех случаях дает объективную оценку ситуации. Например, на рис.1 приведены осциллограммы напряжений в сети 10 кВ, питающей нагрузку мощного прокатного стана одного из металлургических заводов, а также их спектры.
Частота измерений здесь была равна 10 кГц, когда при разложении в ряд Фурье можно выделить предельную 100-ю гармонику частоты 5 кГц. Наблюдались гармоники кратности 60 ÷ 80 с амплитудой до 15 %, тогда как коэффициент несинусоидальности напряжения, рассчитанный по ГОСТ, равен:
Коэффициент несинусоидальности в этой сети, рассчитанный с учетом всех гармоник, равен:
А долевой вклад высших гармоник кратности >40, составил
Заметим, что возмущения на частотах 9 кГц – 30 МГц традиционно изучаются специалистами по связи, причем CISPR (Интернациональный Комитет по Радиопомехам), накладывает соответствующие нормативные ограничения на напряжения и токи больших частот. Полагается, что диапазон 2 ÷ 9 кГц должен контролироваться специалистами электрических систем, что и предполагается в соответствии с разделом 1 стандарта [2]. Однако, в документе установлено различие между гармониками, к которым отнесены составляющие с частотами до 2 кГц включительно, а также остальными составляющими спектра до частоты 9 кГц, а сведения о средствах измерения в полосе частот до 9 кГц в стандарте вынесены в приложение В, имеющее справочный характер.
Вследствие сказанного, а также, очевидно, относительно малого количества наблюдавшихся экстремальных ситуаций, требующих решения, и явной неподготовленностью парка измерительных приборов указанный диапазон помех оказался вне зоны контроля специалистов электриков.
Приведем ряд дополнительных примеров, показывающих на проблемы в работе электрооборудования из-за наличия гармоник с порядковыми номерами выше n=40.
На рис. 2 показаны мгновенные значения и гармонические спектры фазных напряжений в одной из сетей 6 кВ, питающей 12-пульсные выпрямители преобразователей частоты мощностью 4 МВт. Высокочастотные колебания напряжения приводят к сбоям в работе находящихся в сети электронных приборов (компьютеров, цифровых реле и электросчетчиков), создают телефонные помехи.
Спектр напряжений, рассчитанный до частоты 10 кГц (f_изм=20 кГц), явно имеет гармоники с частотой более 200-й кратности. Если бы приводились измерения прибором, ориентированным на действующие стандарты, то пользователь зафиксировал бы коэффициент искажения синусоидальности напряжения K_U(ГОСТ) =4,6 % (близкое к нормально допустимому по ГОСТ [3] значению) с небольшим превышением допустимых уровней для 35 и 37-й гармоник. Но реальное значение коэффициента искажения синусоидальности в действительности составляет
А доля гармоник порядков n>40 превышает допустимое по ГОСТ значение для низкочастотного диапазона n=2÷40 (K_U(n>40) =10,2 %).
Главной причиной появления столь высокочастотных гармоник (рис. 2), подтвержденных математическим моделированием процессов в данной сети, является относительно малая величина емкостной проводимости изоляции, что приводит к появлению резонансных условий в области гармоник высоких порядков, а также наличие высокочастотных возмущений от управляемых тиристорных преобразователей – см. рис. 3. При относительно малой в данном случае нагрузке преобразователей (около 25 %) наблюдаются близкие к нулю углы коммутации и большие скорости нарастания тока di/dt. Двенадцать раз на периоде возникают резкие срезы обратных токов тиристоров, в результате чего спектр гармонических возмущений по току не затухает и на 200-й гармонике. Недопустимые гармонические возмущения наблюдались и при нагрузке, приближающейся к номинальной, несмотря на увеличение углов коммутации.
Отметим также актуальность проблемы появления высокочастотных составляющих в спектрах вследствие внедрения в сетях промышленных предприятий устройств, основанных на активных выпрямителях (active front end), в частности, мощных преобразователей частоты. Такие устройства обладают следующими востребованными возможностями: рекуперация энергии в питающую сеть в тормозных режимах электропривода; поддержание нулевого потребления реактивной мощности; улучшение гармонического состава потребляемого тока в диапазоне низких и средних частот. Однако, их использование приводит к проникновению в электрические сети гармоник высоких порядков (35, 37 и выше), связанных с частотами ШИМ, и приводящими в отдельных случаях к значительным усилениям этих гармоник вследствие возникновения резонансных условий.
2. О специфике расчетов временных зависимостей действующих значений переменных и их гармонических составляющих.
Полноценный анализ характеристик действующих значений переменных (напряжений, токов, активной и реактивной мощностей) в сетях с резкопеременной нагрузкой можно выполнить только при использовании интервалов обработки с длительностью, совпадающей с периодом основной частоты (T_обр=0,02 с). Увеличение T_обр неизбежно приводит к занижению амплитуд колебательных составляющих процессов, даже при использовании базового в соответствии со стандартом [1] измерительного окна 10 периодов промышленной частоты. Проиллюстрируем сказанное на основании анализа режима работы импульсной нагрузки на рис. 4, где представлены результаты измерения активной мощности на интервалах обработки 0,02 с 0,2 с, а также значения, усредненные на регламентированных интервалах 3 с и 10 минут. Видно, что практикуемое определение значений переменных на продолжительных интервалах времени значительно занижает амплитуды отклонений измеряемых параметров от их средних значений. В частности, пиковое значение активной мощности, определенное на каждом периоде промышленной частоты P_0,02 с=9,03 Мвт при использовании регламентированного усреднения 10 минут снижается практически в 20 раз до P_10 мин=0,46 Мвт.
2. О специфике расчетов временных зависимостей действующих значений переменных и их гармонических составляющих.
Полноценный анализ характеристик действующих значений переменных (напряжений, токов, активной и реактивной мощностей) в сетях с резкопеременной нагрузкой можно выполнить только при использовании интервалов обработки с длительностью, совпадающей с периодом основной частоты (T_обр=0,02 с). Увеличение T_обр неизбежно приводит к занижению амплитуд колебательных составляющих процессов, даже при использовании базового в соответствии со стандартом [1] измерительного окна 10 периодов промышленной частоты. Проиллюстрируем сказанное на основании анализа режима работы импульсной нагрузки на рис. 4, где представлены результаты измерения активной мощности на интервалах обработки 0,02 с 0,2 с, а также значения, усредненные на регламентированных интервалах 3 с и 10 минут. Видно, что практикуемое определение значений переменных на продолжительных интервалах времени значительно занижает амплитуды отклонений измеряемых параметров от их средних значений. В частности, пиковое значение активной мощности, определенное на каждом периоде промышленной частоты P_0,02 с=9,03 Мвт при использовании регламентированного усреднения 10 минут снижается практически в 20 раз до P_10 мин=0,46 Мвт.
Эти соображения относятся также и к временным зависимостям высших гармоник. Например, на рис. 5 представлена регистрограмма изменения 13-й гармоники напряжения в сети, питающей нагрузку подъемной машины, на протяжении одного из полных циклов ее работы. В данном случае даже использование трехсекундных интервалов усреднения позволяет получить достаточно адекватную информацию о режимах в рассматриваемой сети, однако применение используемого в измерительных приборах 10-минутного усреднения приводит к занижению максимальных уровней гармоники в несколько раз.
Отметим, что согласно справочному приложению В к стандарту 30804.4.30 2014 (см. п. В.1.3.8) несмотря на то, что анализ гармонических искажений напряжения должен производиться на основании данных измерений, полученных в течение одной недели (при использовании 10-минутных интервалов усреднения), должна также выполняться ежедневная оценка качества (также в течение одной недели) при использовании значений, полученных на интервалах времени 3 с. К сожалению, такая оценка в настоящее время в измерительных приборах практически никогда не закладывается.
Заключение
Литература
1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 30804.4.30 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. Введ. 2014-01-01. М.: Издательство стандартов, 2013г.
2. Межгосударственный стандарт ГОСТ 30804.4.7 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. Введ. 2014-01-01. М.: Издательство стандартов, 2013 г.
3. Межгосударственный стандарт ГОСТ 32144 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения. Введ. 2014-01-07. М.: Издательство стандартов, 2013 г.
Заключение
1. Используемые в настоящее время измерительные приборы, фиксирующие ПКЭ в соответствии с требованиями стандартов на качество электроэнергии [1, 2, 3], не позволяют выполнить полноценный анализ ситуации с качеством электрической энергии, а также поиск причин его нарушения. Возникают случаи, когда для разработки технических решений по устранению нарушений условий электромагнитной совместимости требуется дополнительный детальный анализ процессов с использованием мгновенных значений токов и напряжений, который может быть выполнен только с использованием цифровых осциллографов-анализаторов, с возможностью обработки файлов данных по любым, в том числе нестандартным, алгоритмам.
2. Стандарты должны быть дополнены разделами, посвященными нормированию гармоник в диапазоне 2 ÷ 9 кГц. Разработчикам приборов по контролю ПКЭ необходимо расширить диапазон измеряемых гармоник.
3. При возникновении подозрений на существование высокочастотных помех, наличии в сети кратковременных мощных источников возмущений и многих других случаях необходимо использовать для измерений показателей качества различного рода осциллографы-анализаторы, даже если они не сертифицированы на соответствие действующим стандартам.
2. Стандарты должны быть дополнены разделами, посвященными нормированию гармоник в диапазоне 2 ÷ 9 кГц. Разработчикам приборов по контролю ПКЭ необходимо расширить диапазон измеряемых гармоник.
3. При возникновении подозрений на существование высокочастотных помех, наличии в сети кратковременных мощных источников возмущений и многих других случаях необходимо использовать для измерений показателей качества различного рода осциллографы-анализаторы, даже если они не сертифицированы на соответствие действующим стандартам.
Литература
1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 30804.4.30 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. Введ. 2014-01-01. М.: Издательство стандартов, 2013г.
2. Межгосударственный стандарт ГОСТ 30804.4.7 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. Введ. 2014-01-01. М.: Издательство стандартов, 2013 г.
3. Межгосударственный стандарт ГОСТ 32144 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения. Введ. 2014-01-07. М.: Издательство стандартов, 2013 г.
